CN117443466A - 微流控芯片及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微流控芯片领域，公开了一种微流控芯片及其封装方法，该封装方法包括：S1.将硬质材料的底片(1)、软体材料的中间层(2)和硬质材料的盖片(3)依次层叠在一起，其中，所述底片(1)和/或所述中间层(2)的上表面形成有微通道(11,21)，所述盖片(3)上形成有与该微通道(11,21)连通的进液孔(31)；S2.利用连接结构将所述盖片(3)与底片(1)连接，并连接为使得所述中间层(2)承受挤压作用力。该封装方法无需复杂的键合条件和繁琐的操作过程，仅通过物理方法将盖片与底片连接，并利用中间层的弹性变形和韧性与二者良好贴合，可以有效避免键合缺陷，能够快速稳定地完成封装，保证批次间稳定性，有利于实现快速批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片领域，具体地涉及一种微流控芯片的封装方法。此外，本发明还涉及微流控芯片。
背景技术
微流控芯片在生物、医药、环境、食品等领域展现出卓越的前景，可望在环境检测、水质检测、化学分析等多个方面得到广泛应用。微流控芯片技术通过把样品的制备、反应、分离和检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。
然而，微流控芯片的量产受限于快速封装技术的局限。在其封装过程中，不仅需要解决微通道密闭性的问题，还要避免高温、化学腐蚀等对通道结构的影响。目前，微流控芯片的封装方法主要包括热键合、等离子体键合、化学键合等。
其中，热键合多用于高分子材料，采用加热的方法将高分子材料软化，通过在两侧施加一定的压力使两芯片互相粘合。在软化及施压过程中，均易导致微通道的变形甚至部分结构坍塌。另外，由于热压温度一般较高，易导致芯片上包埋试剂的变质失效。
化学键合同样多用于高分子材料，通过在芯片的表面涂覆一定的化学溶剂，使表面材料溶解，而后在两芯片外侧施加压力，溶剂挥发材料固化而粘合。由于避免了升温、降温过程，化学键合的速度较热压键合快很多，且不易使试剂受热失效。但化学溶剂也易导致通道结构的变形和坍塌。
等离子体键合是先将两芯片清洗后用等离子体处理，并随即进行压力键合。等离子体键合法能够较好的保护微通道结构，但等离子体处理过程对条件要求较高，且等离子体也易导致包埋试剂失效。
中国实用新型专利CN207012987U提供了一种胶粘键合的微流控芯片，其通过在形成有微通道的聚合物中间层的正反面涂覆UV胶，并将其夹紧于盖片和基片之间的方式，使得芯片的不同部分键合为一体。如此，键合使用的UV胶容易对通道中的反应(如COD检测)造成干扰。
上述键合方法处理过程中，还易发生部分区域键合缺陷，从而导致芯片漏液现象的出现，尤其是硬质材料芯片。采用软质芯片材料键合，在芯片使用过程中，当通道压力较大时，易出现通道变形的情况。
综上，现有技术方法均无法较好的满足封装的需要，更不利于封装的快速、批量进行。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术中存在的至少部分技术问题，提供一种微流控芯片的封装方法，该微流控芯片的封装方法不需要热、溶解等复杂的键合条件和繁琐的操作过程，可以避免因热压、胶粘等导致的包埋试剂失效等问题，且能够快速稳定地完成封装，批次间稳定性好，有利于快速批量生产的实现。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种微流控芯片的封装方法，包括如下步骤：
S1.将硬质材料的底片、软体材料的中间层和硬质材料的盖片依次层叠在一起，其中，所述底片和/或所述中间层的上表面形成有微通道，所述盖片上形成有与该微通道连通的进液孔；
S2.利用连接结构将所述盖片与所述底片连接，并连接为使得所述中间层承受挤压作用力。
优选地，所述底片和所述盖片分别为玻璃、硅片、金属或硬质高分子材料中的一种，所述中间层为疏水性软体材料。
优选地，所述硬质高分子材料为PMMA、PC、PVC和PTFE中的一种，所述疏水性软体材料为PDMS、硅胶、PE、PAA和橡胶中的一种。
优选地，所述微通道的深度和宽度均不小于50μm；所述底片、中间层和盖片的厚度均不小于0.5mm。
优选地，所述盖片上还形成有与所述微通道连通的出液孔，或者，所述盖片由透明材料制成，所述底片或所述中间层形成有与所述微通道连通的检测池。
优选地，在步骤S2之前，在所述微通道和/或所述检测池内设置包埋试剂。
优选地，所述微通道仅形成于所述底片上，所述中间层具有分别环绕所述进液孔、所述出液孔或检测池的镂空部。
优选地，所述底片和/或所述盖片上分别形成有固定孔，在步骤S2中，通过穿过该固定孔的紧固件将所述盖片与所述底片连接，并且/或者，所述连接结构包括设置于所述底片和所述盖片中的至少一者上的卡扣，在步骤S2中，通过将该卡扣卡接至所述底片和所述盖片中的另一者而将该盖片与所述底片连接。
本发明第二方面提供一种微流控芯片，包括依次层叠的硬质材料的底片、软体材料的中间层和硬质材料的盖片，所述底片的上表面形成有微通道，所述中间层形成有镂空部，所述盖片通过连接结构连接至所述底片，并连接为使得所述中间层承受挤压作用力而发生弹性变形，该盖片上形成有通过所述镂空部连通所述微通道的进液孔。
本发明第三方面提供一种微流控芯片，包括依次层叠的硬质材料的底片、软体材料的中间层和硬质材料的盖片，所述中间层的上表面形成有微通道，所述盖片通过连接结构连接至所述底片，并连接为使得所述中间层承受挤压作用力而发生弹性变形，该盖片上形成有连通所述微通道的进液孔。
优选地，所述连接结构为螺纹紧固结构和/或卡扣结构。
优选地，所述底片和所述盖片分别为玻璃、硅片、金属或硬质高分子材料中的一种，所述中间层为PDMS、硅胶、PE、PAA和橡胶中的一种。
通过上述技术方案，本发明的封装方法无需热/化学溶剂/等离子体等复杂的键合条件和繁琐的操作过程，仅通过连接结构连接盖片和底片，使得软体材料的中间层承受挤压作用即完成不同部分之间的键合，由此避免了因热压、胶粘等可能导致的包埋试剂失效等问题。由于仅通过物理方法将盖片与底片连接，并利用中间层的弹性变形和韧性与二者良好贴合，本发明的封装方法可以有效避免键合缺陷，从而能够快速稳定地完成封装，并保证批次间稳定性，有利于实现快速批量生产。
附图说明
图1是根据本发明一种优选实施方式的微流控芯片的分解图；
图2是根据本发明另一种优选实施方式的微流控芯片的分解图；
图3是根据本发明又一种优选实施方式的微流控芯片的分解图；
图4是图3中微流控芯片的产品结构视图；
图5是根据本发明又一种优选实施方式的微流控芯片的分解图。
附图标记说明
1-底片；2-中间层；11,21-微通道；12-检测池；22-镂空部；3-盖片；31-进液孔；32-出液孔；13,23,33-固定孔；14-卡扣。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。
参照图1至图5所示，本发明的一个方面提供一种微流控芯片的封装方法，包括如下步骤：S1.将硬质材料的底片1、软体材料的中间层2和硬质材料的盖片3依次层叠在一起，其中，所述底片1和/或中间层2的上表面形成有微通道11,21，所述盖片3上形成有与该微通道11,21连通的进液孔31；S2.利用连接结构将盖片3与底片1连接，并连接为使得中间层2承受挤压作用力。
应当理解的是，在上述封装步骤中，不存在在底片1、中间层2或盖片3的与相邻部分相对的表面上涂覆粘合剂的过程，而仅是通过连接结构对盖片3和底片1的连接而实现微通道11,21在相邻部分之间的密封，这种密封通过使得中间层2被挤压发生弹性变形而实现。由此，本发明采用的中间层2为软体材料，其具有一定的弹性和韧性，这种特性可以允许本发明的封装方法省去或避免热/化学试剂/等离子体等额外条件，而仅利用物理方法压紧固定，这相比于现有技术的键合方法在多个方面具有显著优势。
首先，相比于热键合方式，本发明的封装方法无需加热软化芯片材料，从而不会因高温导致的包埋试剂的变质失效问题。同时，由于仅利用连接结构实现芯片部件连接，无需加热软化和冷却过程，本发明封装方法的键合条件和操作过程得到显著简化，可以避免因加热不均等导致的键合缺陷，能够快速稳定地完成封装，并保证批次间稳定性，有利于实现快速批量生产。
与施加化学溶剂的化学键合方法相比，本发明的封装方法不会导致芯片材料发生化学变化，而仅依赖于连接结构的机械连接方式完成连接，封装效果的可控性强，不会对微通道的结构形成明显的影响。同样地，本发明无需施加化学试剂，键合条件和操作过程简单，可以避免因化学溶剂涂覆不均等导致的键合缺陷，能够快速稳定地完成封装，并保证批次间稳定性，有利于实现快速批量生产。
与等离子体键合和胶粘键合方式相比，本发明不需使用可能导致包埋试剂失效或对通道反应造成干扰的等离子体和粘合剂，仅通过物理方法将盖片与底片连接，并利用中间层的弹性变形和韧性与二者良好贴合，由此能够保证批次间稳定性，有利于实现快速批量生产。
根据上述及随后所述的优选实施方式，本发明主要利用中间层2使用的软体材料的特性和机械方式的连接结构避免了现有封装方法导致的缺陷，提供了一种三明治式封装方法，利用物理方法使得盖片3和底片1将中间层2压紧在中间，以利用其弹性和韧性保证不同部分之间的良好贴合。本发明的封装方法无需繁琐的操作过程和复杂的键合条件，可控性强，批次间稳定性好，便于实现批量快速生产。
在本发明中，适用的微流控芯片的底片1和盖片3材料为硬质材料，如玻璃、硅片、金属、硬质高分子材料等，底片和盖片的厚度一般0.5mm以上，底片和盖片材料可以相同，也可以不同。其中，硬质高分子材料可以为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)等。
在本发明中，刻有微通道11,21的基片(底片1或中间层2)的厚度一般0.5mm以上，微通道11,21的深度、宽度50μm以上。
封装时，利用物理方法将底片1和盖片3压紧。由于中间层2的可塑性和韧性，能够在压力作用下较好地与底片1和盖片3进行贴合，防止漏液情况的发生。封装完成后，当通道中施加较大压力时，由于盖片3的硬质材料的束缚，中间层2不易发生变形导致通道尺寸变化。
中间层2的材料一般选为疏水性材料，如封口膜、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅胶、聚乙烯(PE)、橡胶等，这进一步降低了微通道内液体溢出的可能性。根据需要，可以选择透明或不透明的材料，中间层的厚度不小于0.5mm。
为了进一步避免对芯片性能的影响，中间层2可以根据需要在部分区域形成镂空部22，非镂空的部分只需要覆盖底片1的平面部分即可。例如，在进液孔31、出液孔32等部位镂空以保证气体/液体顺利进出芯片，在检测池12处镂空以保证利用光学等方法进行测定时，减少由封装带来的干扰。
施加压力时，可以采取外部结构，如利用螺丝钉或其他钉式结构穿透的方法，也可以在芯片本体上构造螺纹结构、卡扣结构进行封装。这些连接结构可以是一次性的，也可以是可拆卸的。螺丝或卡扣结构的位置分布可以视芯片尺寸及承压情况而定，一般在芯片的外周，也可以在芯片内部不影响通道的位置进行设置，但设置一般应遵循对称原则，目的是使芯片受力均匀。
在一种实施方式中，微通道可以形成在中间层上，并在其外侧增加一层硬质材料，形成三明治结构进行封装，如图5所示。
本发明的封装方法可以：1)较好的保护微通道结构完整性；2)常温进行，对环境条件要求低，芯片上包埋的试剂不易变质；3)操作简便，能够快速进行，能够用于批量生产。本发明提供的三明治式的封装方法，解决了由于热、溶解等导致的通道变形和结构坍塌问题，避免了繁琐过程和复杂条件，保证了包埋试剂的有效性，有助于解决微流控芯片批量生产的瓶颈问题。该封装方法制得的微流控芯片可以应用在各种适当领域，如生物医疗中各种指标的测定、水环境中各种污染物测定、食品中各种物质的达标测定等。
实施例1
本实施例用于说明玻璃+玻璃微混合/反应型微流控芯片的封装。
如图1所示，微混合/反应型微流控芯片由底片1、盖片3和中间层2组成，其尺寸均为80mm*30mm。其中底片1和盖片3为玻璃材质，厚度3mm；中间层2为硅胶材质，厚度0.5mm。底片1上刻有S型微通道11，其宽度为0.5mm，深度为0.5mm，延伸长度为100mm。盖片3上设置有进液孔31和出液孔32，中间层2形成有对应该进液孔31和出液孔32的镂空部22(通孔)，并分别与微通道11的两端对应。在底片1、盖片3、中间层2上距离边缘5mm处，分别有2mm的通孔，作为用于封装的固定孔13,23,33。
在封装时，利用螺钉等紧固件分别穿过四组固定孔13,23,33，后在另一侧用螺母进行固定。使用时，将两种或两种以上的液体从进液孔31注入芯片，在流经微通道11过程中不断进行传质，并最终形成均一的溶液后，从出液孔32流出，达到混合的目的。在本实施例中，通过硅胶材质的中间层2和螺钉结构的搭配运用，有效实现了芯片的封装，保证了液体在混合过程中不从通道内溢出。在传统封装方法中，由于玻璃芯片在封装过程中通常需要经过多次清洗、表面处理、高温等步骤，且玻璃为亲水材料，如果存在部分区域缺陷易导致液体在流动过程中从通道内溢出。本实施例的应用有效避免了两玻璃芯片在键合过程中需要的复杂步骤，增加了封装效率的同时，由于硅胶的疏水作用，增大了液体从通道内溢出所需要克服的压力，降低了液体在微混合过程中从通道中溢出的风险。在本实施例中，玻璃材料的底板1和盖板3也可以替换为硅片。
实施例2
本实施例用于说明玻璃+硬质高分子检测芯片的封装。
如图2所示，检测芯片由底片1、盖片3和中间层2组成，直径尺寸为70mm，其中底片1为PMMA材质，厚度为3.5mm；盖片3为玻璃材质，厚度为2mm；中间层2为硅胶材质，厚度为0.1mm。底片1上刻有微通道11和检测池12，盖片3上设置有进液孔31，中间层1的对应该进液孔31和检测池12的位置设有镂空部22。在底片1、盖片3、中间层2的靠近边缘的位置分别有2mm的通孔，作为芯片封装的固定孔13,23,33。
在封装时，利用螺钉分别穿过四组固定孔13,23,33，后在另一侧用螺母进行固定(或者在底片1上直接注塑螺纹结构，透过中间层2和盖片1的通孔进行封装)。使用时，液体从进液孔31进入芯片，与包埋在底片1中的试剂进行反应，形成带色溶液并进入检测池12，通过光学手段(如吸光度分析)进行检测。在本实施例中，盖片3使用的玻璃材质具有较高的硬度和透光性，能够较大的保证光学性能，但玻璃的疏水性弱，易导致检测过程中漏液现象的发生。另外，由于玻璃与高分子性质不同，封装难度较大。硅胶疏水材质的中间层1的运用，增加了芯片的疏水性，也降低了封装的难度。
实施例3
本实施例用于说明硬质高分子材料+硬质高分子材料芯片的封装。
如图3和图4所示，硬质高分子芯片由底片1、盖片3和中间层2组成，直径尺寸分别为60mm，其中底片1和盖片3均为PMMA材质，底片1的厚度为3.5mm，盖片3的厚度为1.5mm，中间层2为封口膜，厚度为0.5mm。底片1上刻有微通道11，宽度为0.8mm，深度为0.5mm。底片1上设置有检测池12，其中深度为3mm，中间层在对应检测池12的位置设有镂空部。盖片3上设置有进液孔31，中间层1的对应该进液孔31的位置形成有镂空部。在底片1的周围及中间区域有圆柱形凸起结构(卡扣14)，直径为2mm，高度为1.5mm，中间层2和盖片3的相应位置有通孔结构，其中中间层2的通孔直径与卡扣14相同，盖片3上的通孔直径为1.98mm，底片1的凸起结构和中间层2、盖片3的通孔结构组成了芯片封装的卡扣结构。
在封装时，只需要将三者对齐，并加压，使三层紧密卡在一起即可。液体从进液孔31进入芯片，与包埋在底片1中的试剂进行反应，形成带色溶液并进入检测池12，通过光学手段(如吸光度分析)进行检测。在本实施例中，通过封口膜形式的中间层2以及卡扣结构的搭配运用，有效实现了芯片的快速封装，也减少了液体在芯片中流动时从微通道11内溢出的可能性。另外，由于中间层2在检测池12相应位置设置有镂空部，不影响芯片的光学性能。
实施例4
本实施例用于说明硬质高分子+软质高分子芯片的封装。
如图5所示，微混合/反应型芯片由底片1、盖片3和中间层2(基片)组成，尺寸分别为80mm*30mm，其中底片1为PMMA材质，厚度为2mm；盖片3为PTFE材质，厚度为2mm；中间层2为PDMS材质，厚度为2mm。基片上刻有S型微通道21，其宽度为0.2mm，深度为0.2mm，长度为100mm。盖片3上设置有进液孔31和出液孔32。在底片1、盖片3、中间层2距离边缘5mm处，分别形成有2mm的通孔，作为芯片封装的固定孔13,23,33。
在封装时，利用螺钉分别穿过四组固定孔13,23,33，后在另一侧用螺母进行固定。将两种或两种以上的液体从进液孔31进入芯片，在流经微通道21过程中不断进行传质，并最终形成均一的溶液后，从出液孔32流出，达到混合/反应的目的。在本实施例中，中间层2为软质材料，且具有通道结构，底片1和盖片3为硬质材料，保证了芯片在运行过程中不变形。聚四氟乙烯的盖片3具有足够大的表面张力(其也可以选择玻璃、PMMA等其他材质，根据实际使用情况，可以对盖片材料进行预改性，以增加其表面张力)。通过本发明的封装方法，能够保证微流控通道在封装过程中无变形，避免微通道内的液体在混合过程中从盖片3与中间层2之间溢出。
参照图1至图4所示，本发明的另一方面提供一种微流控芯片，包括依次层叠的硬质材料的底片1、软体材料的中间层2和硬质材料的盖片3，其中，底片1的上表面形成有微通道11，中间层2形成有镂空部22，盖片3通过连接结构连接至底片1，并连接为使得中间层2承受挤压作用力而发生弹性变形，该盖片3上形成有通过镂空部22连通所述微通道11的进液孔31。
参照图5所示，本发明的另一方面提供另外一种形式的微流控芯片，包括依次层叠的硬质材料的底片1、软体材料的中间层2和硬质材料的盖片3，其中，中间层2的上表面形成有微通道21，盖片3通过连接结构连接至底片1，并连接为使得中间层2承受挤压作用力而发生弹性变形，该盖片3上形成有连通微通道21的进液孔31。
在上述微流控芯片中，所述连接结构可以为螺纹紧固结构和/或卡扣结构。
其中，所述底片1和盖片3可以分别为玻璃、硅片、金属或硬质高分子材料中的一种，所述中间层2可以为PDMS、硅胶、PE、聚丙烯酸(PAA)和橡胶中的一种。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种微流控芯片的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将硬质材料的底片(1)、软体材料的中间层(2)和硬质材料的盖片(3)依次层叠在一起，其中，所述底片(1)和/或所述中间层(2)的上表面形成有微通道(11,21)，所述盖片(3)上形成有与该微通道(11,21)连通的进液孔(31)；
S2.利用连接结构将所述盖片(3)与所述底片(1)连接，并连接为使得所述中间层(2)承受挤压作用力。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片的封装方法，其特征在于，所述底片(1)和所述盖片(3)分别为玻璃、硅片、金属或硬质高分子材料中的一种，所述中间层(2)为疏水性软体材料。
3.根据权利要求2所述的微流控芯片的封装方法，其特征在于，所述硬质高分子材料为PMMA、PC、PVC和PTFE中的一种，所述疏水性软体材料为PDMS、硅胶、PE、PAA和橡胶中的一种。
4.根据权利要求1所述的微流控芯片的封装方法，其特征在于，所述微通道(11,21)的深度和宽度均不小于50μm；所述底片(1)、中间层(2)和盖片(3)的厚度均不小于0.5mm。
5.根据权利要求1所述的微流控芯片的封装方法，其特征在于，所述盖片(3)上还形成有与所述微通道(11,21)连通的出液孔(32)，或者，所述盖片(3)由透明材料制成，所述底片(1)或所述中间层(2)形成有与所述微通道(11,21)连通的检测池(12)。
6.根据权利要求5所述的微流控芯片的封装方法，其特征在于，在步骤S2之前，在所述微通道(11,21)和/或所述检测池(12)内设置包埋试剂。
7.根据权利要求5所述的微流控芯片的封装方法，其特征在于，所述微通道(11,21)仅形成于所述底片(1)上，所述中间层(2)具有分别环绕所述进液孔(31)、所述出液孔(32)或检测池(12)的镂空部(22)。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的微流控芯片的封装方法，其特征在于，
所述底片(1)和/或所述盖片(3)上分别形成有固定孔(13,23,33)，在步骤S2中，通过穿过该固定孔(13,23,33)的紧固件将所述盖片(3)与所述底片(1)连接，并且/或者，
所述连接结构包括设置于所述底片(1)和所述盖片(3)中的至少一者上的卡扣(14)，在步骤S2中，通过将该卡扣(14)卡接至所述底片(1)和所述盖片(3)中的另一者而将该盖片(3)与所述底片(1)连接。
9.一种微流控芯片，其特征在于，包括依次层叠的硬质材料的底片(1)、软体材料的中间层(2)和硬质材料的盖片(3)，所述底片(1)的上表面形成有微通道(11,21)，所述中间层(2)形成有镂空部(22)，所述盖片(3)通过连接结构连接至所述底片(1)，并连接为使得所述中间层(2)承受挤压作用力而发生弹性变形，该盖片(3)上形成有通过所述镂空部(22)连通所述微通道(11,21)的进液孔(31)。
10.一种微流控芯片，其特征在于，包括依次层叠的硬质材料的底片(1)、软体材料的中间层(2)和硬质材料的盖片(3)，所述中间层(2)的上表面形成有微通道(11,21)，所述盖片(3)通过连接结构连接至所述底片(1)，并连接为使得所述中间层(2)承受挤压作用力而发生弹性变形，该盖片(3)上形成有连通所述微通道(11,21)的进液孔(31)。
11.根据权利要求9或10所述的微流控芯片，其特征在于，所述连接结构为螺纹紧固结构和/或卡扣结构。
12.根据权利要求9或10所述的微流控芯片，其特征在于，所述底片(1)和所述盖片(3)分别为玻璃、硅片、金属或硬质高分子材料中的一种，所述中间层(2)为PDMS、硅胶、PE、PAA和橡胶中的一种。
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